形狀記憶聚合物薄膜的制備及其性能研究.pdf

1、作為新一代的功能型材料，形狀記憶聚合物能夠通過(guò)多種驅(qū)動(dòng)方式從臨時(shí)形狀回復(fù)到原始形狀，具有良好的結(jié)構(gòu)承載能力、回復(fù)變形能力、質(zhì)量輕和成本低等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于從生物醫(yī)學(xué)到航空航天等多個(gè)重要領(lǐng)域。近年來(lái)，形狀記憶聚合物研究工作的廣泛開(kāi)展，極大地推動(dòng)了智能變形結(jié)構(gòu)的發(fā)展和一些關(guān)鍵器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，如空間可展開(kāi)結(jié)構(gòu)、可變彎度機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)和可調(diào)諧微納光學(xué)器件等智能變形結(jié)構(gòu)。但這些智能變形結(jié)構(gòu)多集中于形狀記憶聚合物宏觀(guān)尺度的形狀記憶回復(fù)特性研究。本文利

2、用先進(jìn)的光學(xué)傳感技術(shù)對(duì)多尺度形狀記憶聚合物固化制備過(guò)程及彎曲變形過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到其固化過(guò)程中材料內(nèi)部溫度及應(yīng)變的變化歷程，材料的熱力學(xué)參數(shù)(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱膨脹系數(shù))，形狀記憶聚合物彎曲變形回復(fù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和最終回復(fù)形狀。根據(jù)研究結(jié)果與新興的微納加工技術(shù)研制具有表面微結(jié)構(gòu)的形狀記憶聚合物薄膜，通過(guò)測(cè)試和分析其形狀記憶、光學(xué)和力學(xué)特性，將其應(yīng)用于可調(diào)諧微光學(xué)薄膜器件的設(shè)計(jì)研制中，拓展了形狀記憶聚合物在微光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，主要

3、內(nèi)容如下：
　　首先，針對(duì)形狀記憶聚合物材料在多種智能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用需求，利用光纖光柵作為傳感單元對(duì)形狀記憶聚合物材料在固化過(guò)程中的熱力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試分析。根據(jù)光纖光柵的光譜變化情況對(duì)形狀記憶聚合物樣件的制備過(guò)程進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，分析樹(shù)脂固化過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)和流變行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)了樹(shù)脂整個(gè)固化過(guò)程中的收縮反應(yīng)、模量演變和粘彈特性等熱力學(xué)性能的演變過(guò)程，同時(shí)獲得了形狀記憶聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及其固化后的熱膨脹系數(shù)，為進(jìn)一步研

4、究形狀記憶聚合物薄膜結(jié)構(gòu)提供有效的材料性能支撐。
　　其次，針對(duì)形狀記憶聚合物在多種可展開(kāi)變形結(jié)構(gòu)的實(shí)際服役過(guò)程中彎曲變形特點(diǎn)，提出了展開(kāi)變形過(guò)程中的彎曲變形假設(shè)。對(duì)于尺度相對(duì)較大的薄板結(jié)構(gòu)，采用額外傳感單元，基于傳感器表面粘貼式和埋入式的應(yīng)變傳遞理論，利用光纖光柵作為曲率角度傳感器，通過(guò)以上兩種形式對(duì)形狀記憶聚合物薄板樣件進(jìn)行了大變形彎曲展開(kāi)回復(fù)過(guò)程的監(jiān)測(cè)研究。對(duì)于尺度相對(duì)較小的薄膜結(jié)構(gòu)，將傳感單元衍射光柵直接復(fù)刻于薄膜表面，利

5、用薄膜彎曲變形時(shí)引起的光柵柵距的變化即衍射光斑的變化對(duì)其不同彎曲方向和彎曲角度實(shí)現(xiàn)了定性和定量的測(cè)量。彎曲變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可以得到形狀記憶材料形狀回復(fù)過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)和最終回復(fù)形狀，能夠有效促進(jìn)形狀記憶聚合物薄膜在柔性彎曲可展開(kāi)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用發(fā)展。
　　此外，針對(duì)微光學(xué)領(lǐng)域?qū)烧{(diào)諧光學(xué)無(wú)源器件的需求，利用形狀記憶聚合物表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)的形狀記憶特性，設(shè)計(jì)并研制了兩種能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)特性轉(zhuǎn)換的薄膜結(jié)構(gòu)。首先采用旋涂成膜或澆注成膜的工藝，制備了厚度

6、可控的具有表面微結(jié)構(gòu)的形狀記憶聚合物薄膜樣品，其薄膜表面初始狀態(tài)精準(zhǔn)復(fù)刻了硅基表面的微結(jié)構(gòu)圖案，可對(duì)透過(guò)光產(chǎn)生明顯的衍射效應(yīng)；其次采用納米熱壓印技術(shù)，在預(yù)制備的光滑薄膜表面制備了具有微結(jié)構(gòu)圖案的薄膜樣品，該薄膜表面初始狀態(tài)為平滑表面，具有良好的光學(xué)透明度，臨時(shí)固定態(tài)的表面具有微結(jié)構(gòu)圖案。同時(shí)采用多種性能測(cè)試手段對(duì)制備的薄膜表面微觀(guān)形貌、靜態(tài)力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及其形狀記憶特性進(jìn)行系統(tǒng)研究與表征。
　　最后，以表面為溝槽型微光柵結(jié)

7、構(gòu)的薄膜為研究對(duì)象，對(duì)其表面微結(jié)構(gòu)的衍射光譜特性進(jìn)行定性和定量分析，得出了薄膜透射衍射光的方向及強(qiáng)度的變化情況和薄膜表面微結(jié)構(gòu)在熱激勵(lì)下的主動(dòng)壓縮變形回復(fù)行為對(duì)其透過(guò)光強(qiáng)及衍射光譜的影響，驗(yàn)證了薄膜結(jié)構(gòu)可作為光學(xué)衰減器及光能量分束器等無(wú)源器件的可行性。基于形狀記憶聚合物薄膜的表面微結(jié)構(gòu)的力學(xué)壓縮特性和光學(xué)衍射特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)了三種分束形式的薄膜結(jié)構(gòu)作為可調(diào)諧薄膜光分束器，實(shí)現(xiàn)了將入射光束從一束到多束，從多束到一束，和從二維光束分布到一維光